L'inclinazione di Urano ha essenzialmente il pianeta in orbita attorno al Sole su un lato, l'asse della sua rotazione sta quasi puntando verso il Sole.
(Immagine: © NASA ed Erich Karkoschka, U. of Arizona)
Sebbene i pianeti circondino le stelle della galassia, il modo in cui si formano rimane oggetto di dibattito. Nonostante la ricchezza di mondi nel nostro sistema solare, gli scienziati non sono ancora sicuri di come siano costruiti i pianeti. Attualmente, due teorie lo stanno sfidando per il ruolo di campione.
Il primo e più ampiamente accettato, accrescimento centrale, funziona bene con la formazione dei pianeti terrestri ma ha problemi con pianeti giganti come Urano. Il secondo, il metodo di instabilità del disco, potrebbe spiegare la creazione di pianeti giganti.
"Ciò che separa i giganti del ghiaccio dai giganti del gas è la loro storia di formazione: durante la crescita del nucleo, il primo non ha mai superato [massa critica] in un disco pieno di gas", hanno scritto i ricercatori Renata Frelikh e Ruth Murray-Clay in un documento di ricerca.
Il modello di accrescimento di base
Circa 4,6 miliardi di anni fa, il sistema solare era una nuvola di polvere e gas nota come nebulosa solare. La gravità ha fatto collassare il materiale su se stesso mentre iniziava a ruotare, formando il sole al centro della nebulosa.
Con il sorgere del sole, il materiale rimanente cominciò a raggrupparsi. Piccole particelle si unirono, legate dalla forza di gravità, in particelle più grandi. Il vento solare ha spazzato via elementi più leggeri, come l'idrogeno e l'elio, dalle regioni più vicine, lasciando solo materiali pesanti e rocciosi per creare mondi terrestri. Ma più lontano, i venti solari hanno avuto un impatto minore sugli elementi più leggeri, permettendo loro di fondersi in giganti gassosi come Urano. In questo modo furono creati asteroidi, comete, pianeti e lune.
A differenza della maggior parte dei giganti gassosi, Urano ha un nucleo roccioso anziché gassoso. Il nucleo probabilmente si è formato per primo, quindi ha raccolto l'idrogeno, l'elio e il metano che compongono l'atmosfera del pianeta. Il calore proveniente dal nucleo guida la temperatura e il tempo di Urano, sopraffacendo il calore proveniente dal sole distante, che si trova a quasi 2 miliardi di miglia di distanza.
Alcune osservazioni esopianete sembrano confermare l'accrescimento del nucleo come processo di formazione dominante. Le stelle con più "metalli" - un termine usato dagli astronomi per elementi diversi dall'idrogeno e dall'elio - nei loro nuclei hanno più pianeti giganti rispetto ai loro cugini poveri di metalli. Secondo la NASA, l'accrescimento del nucleo suggerisce che piccoli mondi rocciosi dovrebbero essere più comuni dei più grandi giganti gassosi.
La scoperta del 2005 di un pianeta gigante con un nucleo enorme in orbita attorno alla stella simile al sole HD 149026 è un esempio di un esopianeta che ha contribuito a rafforzare il caso dell'accrescimento del nucleo.
"Questa è una conferma della teoria di accrescimento di base per la formazione del pianeta e la prova che pianeti di questo tipo dovrebbero esistere in abbondanza", ha detto Greg Henry in un comunicato stampa. Henry, un astronomo della Tennessee State University, Nashville, rilevò l'oscuramento della stella.
Nel 2017, l'Agenzia spaziale europea prevede di lanciare il caratteristico ExOPlanet Satellite (CHEOPS), che studierà pianeti extrasolari di dimensioni che vanno dalle super-terre a Nettuno. Studiare questi mondi distanti può aiutare a determinare come si sono formati i pianeti nel sistema solare.
"Nello scenario di accrescimento del nucleo, il nucleo di un pianeta deve raggiungere una massa critica prima che sia in grado di accumulare gas in modo sfrenato", ha detto il team CHEOPS. "Questa massa critica dipende da molte variabili fisiche, tra le quali la più importante è il tasso di accrescimento planetesimale."
Studiando in che modo i pianeti in crescita riconoscono materiale, CHEOPS fornirà informazioni su come i mondi crescono.
Il modello di instabilità del disco
Ma la necessità di una rapida formazione per i pianeti giganti del gas è uno dei problemi di accrescimento centrale. Secondo i modelli, il processo dura diversi milioni di anni, più a lungo dei gas leggeri disponibili nel primo sistema solare. Allo stesso tempo, il modello di accrescimento di base si trova ad affrontare un problema di migrazione, poiché è probabile che i pianeti neonati si muovano a spirale verso il sole in breve tempo.
"I pianeti giganti si formano molto velocemente, in pochi milioni di anni", ha detto a Space.com Kevin Walsh, un ricercatore del Southwest Research Institute di Boulder, in Colorado. "Ciò crea un limite di tempo perché il disco di gas attorno al sole dura solo dai 4 ai 5 milioni di anni."
Secondo una teoria relativamente nuova, l'instabilità del disco, i grumi di polvere e gas sono legati insieme all'inizio della vita del sistema solare. Nel tempo, questi ammassi si compattano lentamente in un pianeta gigante. Questi pianeti possono formarsi più velocemente dei loro principali rivali di accrescimento, a volte in appena un migliaio di anni, permettendo loro di intrappolare i gas più leggeri che svaniscono rapidamente. Raggiungono anche rapidamente una massa stabilizzatrice dell'orbita che impedisce loro di marciare verso il sole.
Mentre gli scienziati continuano a studiare i pianeti all'interno del sistema solare, così come attorno ad altre stelle, capiranno meglio come si sono formati Urano e i suoi fratelli.
Accrescimento di ghiaia
La più grande sfida all'accrescimento di base è il tempo: costruire enormi giganti di gas abbastanza velocemente da afferrare i componenti più leggeri della loro atmosfera. Ricerche recenti su come oggetti più piccoli e di dimensioni ghiaiose si sono fusi insieme per costruire pianeti giganti fino a 1000 volte più veloci di studi precedenti.
"Questo è il primo modello di cui sappiamo che inizi con una struttura piuttosto semplice per la nebulosa solare da cui si formano i pianeti e finisci con il sistema di pianeti giganti che vediamo", studia l'autore principale Harold Levison, un astronomo al Southwest Research Institute (SwRI) in Colorado, ha detto a Space.com nel 2015.
Nel 2012, i ricercatori Michiel Lambrechts e Anders Johansen dell'Università di Lund in Svezia hanno proposto che piccoli ciottoli, una volta cancellati, fossero la chiave per costruire rapidamente pianeti giganti.
"Hanno dimostrato che i ciottoli rimanenti di questo processo di formazione, che in precedenza erano ritenuti non importanti, potevano effettivamente essere una soluzione enorme al problema di formazione del pianeta", ha detto Levison.
Levison e il suo team si sono basati su quella ricerca per modellare in modo più preciso come i piccoli ciottoli potrebbero formare pianeti visti oggi nella galassia. Mentre le simulazioni precedenti, sia gli oggetti di grandi dimensioni che quelli di medie dimensioni hanno consumato i loro cugini di dimensioni di ghiaia a un ritmo relativamente costante, le simulazioni di Levison suggeriscono che gli oggetti più grandi agivano più come bulli, strappando via i ciottoli dalle masse di medie dimensioni per crescere molto più velocemente Vota.
"Gli oggetti più grandi ora tendono a disperdere quelli più piccoli rispetto a quelli più piccoli, quindi i più piccoli finiscono per essere dispersi dal disco di ghiaia", ha detto a Space.com la coautrice dello studio Katherine Kretke, anch'essa di SwRI. . "Il tizio più grosso praticamente si oppone a quello più piccolo in modo che possano mangiare tutti i ciottoli stessi e possono continuare a crescere per formare i nuclei dei pianeti giganti."
L'accrescimento di ghiaia ha maggiori probabilità di funzionare per i pianeti giganti rispetto ai mondi terrestri. Secondo Sean Raymond, dell'Università francese di Bordeaux, questo perché i "ciottoli" sono un po 'più grandi e molto più facili da tenere oltre la linea di neve, la linea immaginaria in cui il gas è abbastanza freddo da diventare ghiaccio.
"Per i ciottoli, è sicuramente un po 'meglio essere appena oltre il limite della neve", ha detto Raymond a Space.com.
Mentre l'accumulo di ghiaia funziona bene per i giganti del gas, ci sono alcune sfide per i giganti del ghiaccio. Questo perché le particelle di dimensioni da millimetro a centimetro si accumulano in modo estremamente efficiente.
"Accreditano così rapidamente che è difficile per i giganti di ghiaccio esistere all'incirca alle loro masse attuali core per una frazione significativa della vita del disco mentre accumula un involucro di gas", hanno scritto Frelikh e Murray-Clay.
"Per evitare la fuga, devono quindi completare la loro crescita in un momento specifico, quando il disco del gas è parzialmente, ma non del tutto esaurito".
La coppia ha proposto che la maggior parte dell'accumulo di gas sui nuclei di Urano e Nettuno coincidesse con il loro allontanamento dal sole. Ma cosa potrebbe farli cambiare casa nel sistema solare?
Un bel modello
Inizialmente, gli scienziati pensavano che i pianeti si formassero nella stessa parte del sistema solare in cui vivono oggi. La scoperta di esopianeti ha scosso le cose, rivelando che almeno alcuni degli oggetti più massicci potrebbero migrare.
Nel 2005, un trio di articoli pubblicati sulla rivista Nature propose che Urano e gli altri pianeti giganti fossero legati in orbite quasi circolari molto più compatte di quanto non siano oggi. Un grande disco di rocce e ghiacci li circondava, allungandosi a circa 35 volte la distanza Terra-sole, appena oltre l'orbita attuale di Nettuno. Hanno chiamato questo modello di Nizza, dopo la città in Francia, dove ne hanno discusso per la prima volta. (Questo è pronunciato Neese.)
Mentre i pianeti interagivano con i corpi più piccoli, spargevano la maggior parte di essi verso il sole. Il processo li indusse a scambiare energia con gli oggetti, mandando più lontano Saturno, Nettuno e Urano nel sistema solare. Alla fine i piccoli oggetti raggiunsero Giove, il che li fece volare al limite del sistema solare o completamente fuori da esso.
Il movimento tra Giove e Saturno spinse Urano e Nettuno in orbite ancora più eccentriche, inviando la coppia attraverso il rimanente disco di ghiacci. Parte del materiale fu lanciato verso l'interno, dove si schiantò contro i pianeti terrestri durante il bombardamento tardivo pesante. Altro materiale fu lanciato all'esterno, creando la Cintura di Kuiper.
Mentre si muovevano lentamente verso l'esterno, Nettuno e Urano scambiavano posti. Alla fine, le interazioni con i detriti rimanenti hanno fatto sì che la coppia si stabilisse in percorsi più circolari mentre raggiungevano la loro attuale distanza dal sole.
Lungo la strada, è possibile che uno o due altri pianeti giganti siano stati espulsi dal sistema. L'astronomo David Nesvorny del Southwest Research Institute in Colorado ha modellato il primo sistema solare alla ricerca di indizi che potrebbero portare a comprenderne la storia antica.
"All'inizio, il sistema solare era molto diverso, con molti più pianeti, forse massicci come Nettuno, che si formavano e si disperdevano in luoghi diversi", ha detto Nesvorny a Space.com.
Una giovinezza pericolosa
Il primo sistema solare fu un periodo di violente collisioni e Urano non era esente. Mentre la superficie della luna e Mercurio mostrano entrambi prove di bombardamenti da parte di rocce più piccole e asteroidi, apparentemente Urano ha subito una collisione significativa con un protopianeta di dimensioni terrestri. Di conseguenza, Urano è inclinato su un lato, con un palo che punta verso il sole per metà anno.
Urano è il più grande dei giganti del ghiaccio, forse in parte perché ha perso parte della sua massa durante l'impatto.
